新元矿9104 工作面瓦斯分布规律与治理技术研究_李雨星.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程背景 本文以阳煤集团新元矿为对象进行了瓦斯治理 研究， 该矿井为煤与瓦斯突出矿井， 主要可采煤层有 3、 9， 其中 9104 工作面为 9 煤层工作面， 瓦斯平均 涌出量 42.00m3/min， 煤层顶板以砂质泥岩、 细砂岩为 主， 厚度为 0.5～11.70m， 采煤方式为一次采全高综合 机械化采煤法， 采空区自然垮落， 自燃等级为Ⅱ级， 工 作 面 进 风 回 风 巷 布 置 呈 U 形 ， 瓦 斯 压 力 在 0.6～0.8MPa 的范围内， 已知煤层力学特性与瓦斯压力 之间呈现负相关关系[1]， 据上述数据可知该煤层瓦斯 具有涌出量较大， 有瓦斯突出的危险件， 为此有必要 对瓦斯的来源进行分析， 并进一步摸清瓦斯的分布规 律， 并为后续治理提供依据。 2瓦斯来源及分布规律 2.1现场检测 为了掌握 9 号煤层开采过程中工作面瓦斯主要 来源及分布规律， 进一步完善瓦斯治理措施， 对工作 面不同瓦斯涌出源状况和瓦斯浓度的测定分析十分 必要。 本次采用单元法测试 9104 工作面瓦斯涌出量， 将工作面划分为 16 个单元，在进风巷道和回风巷道 中布置两个测点， 布置平面图见图 1。 图 1瓦斯测点布置图 2.2测量结果分析 按照上述测点布置后， 以进风侧与切眼交汇处为 原点构建坐标系， X 轴正向为风流方向， Y 轴正向位 新元矿 9104 工作面瓦斯分布规律与治理技术研究 李 雨 星 （山西新元煤炭有限责任公司 ， 山西 晋中 030600 ） 摘要 为了解决新元矿 9104 工作面瓦斯超限的问题， 以单元法对工作面进行了现场实测， 通过建立 空间坐标系，继而分析数据后得出采煤过程中释放的瓦斯以及采空区涌入工作面的瓦斯是其主要来 源， 回风一侧为工作面瓦斯积聚的主要区域， 其中上隅角瓦斯在空间方位上， 越靠近顺槽顶板和采空 区处瓦斯浓度越高； 为此在回风巷一侧采用采空区高位钻孔抽采， 模拟分析以及现场实测相互验证得 出了上隅角瓦斯浓度为 0.1～0.5， 工作面瓦斯浓度都在 0.6以下， 抽采率在 30以上， 表明了采用 高位钻孔进行抽采能够较好地降低工作面以及上隅角瓦斯的浓度， 从而确保了其安全性。 关键词 上隅角瓦斯 ； 高位钻孔 ； 瓦斯抽采 中图分类号 TD712文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0102- 04 Study on the distribution law and governance technology of the new yuan mine 9104 working surface LI Yuxing （Shanxi Xinyuan Coal Co., Ltd. , Jinzhong 030600 , China ） Abstract In order tosolve the problem ofgas overrun in 9104 workingface ofXinjing Mine, the surface ofthe working face was measured by the unit . The space coordinate system was established and the data was analyzed to obtain the gas and gob released during the coal miningprocess. The gas that flows into the working face is the main source, and the gas concentration on the return air side is about 5 times of the gas concentration on the inlet side. The gas concentration in the upper corner gas is closer to the gas concentration at the top plate and the goaf. For this reason, high- level borehole extraction in the goafis adopted on the side ofthe return airway. The simulation analysis and on- site measurement verifythat the gas concentration in the upper corner is 0.1～0.5, and the gas concentration in the working surface is 0.6. Be- low, the extraction rate is above 30, indicating that the use of high- level drilling for extraction can better reduce the concentration of the workingsurface and the upper corner gas, thus ensuringits safety. Keywords Upper corner gas ; high hole ; gas extraction 102 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 采空区方向， Z轴正向即底板至顶板，分别对瓦斯浓 度以及风量进行测量，得出数据后绘制得到图 2 曲 线。 （a ） 工作面 X 轴正向间瓦斯浓度分布 （b） 工作面 X 轴正向瓦斯涌出量分布 （c ） 工作面 Z 轴正向瓦斯浓度分布 （d） 工作面 Y 轴正向间瓦斯浓度分布 图 2瓦斯观测曲线图 图 2 （a ） 中为了保证检测的准确性， 分别在工作 面各支架间进行了色谱分析， 观察曲线总体趋势表现 为瓦斯浓度的增加， 在靠近进风流一侧即 0～150m 之 间， 瓦斯增速较缓慢， 在 150m～240m 之间， 瓦斯增速 迅速增大， 其中在 165m 处瓦斯浓度达到 1.5， 这是 因为工作面在采动过程中释放了大量瓦斯， 采煤机等 大型设备也阻碍了风流的流动， 而且采空区瓦斯也随 着风流向上隅角流动， 这也就导致了瓦斯在回风一侧 浓度提升速度快， 综上所述沿工作面 X 轴方向上， 回 风一侧为工作面瓦斯积聚的主要区域， 瓦斯来源为采 煤过程中释放的瓦斯以及采空区涌入工作面的瓦斯。 观察图 2（b ） 可以看出整个巷道的风流规律， 0m～30m 范围内， 风量稳定在 2040m3/min， 在 30～90m 范围内， 风量呈断崖式下降， 在 90m～135m 范围内仅 为 820m3/min， 在 135m～190m之间， 风量增加明显， 这 是因为在此阶段， 采空区较多瓦斯涌入工作面， 并进 一步造成了工作面上隅角瓦斯偏高。 图 2 （c ） 中， 9104 工作面 Z轴方向上， 对工作面垂 直方向上划分为上部、 中部、 下部， 瓦斯浓度整体表现 为上部 下部 中部， 这是因为瓦斯密度小于空气， 容易逸散至巷道上部， 中部瓦斯小于下部瓦斯是因为 巷道风流主要集中在巷道中部， 上部瓦斯浓度最高达 2.2，为此需要对回风一侧巷道上部瓦斯进行集中 治理。 图 2 （d ） 中， 在工作面 Y 轴正向上瓦斯浓度表现 为回风侧 工作面中部 进风侧，进风一侧瓦斯浓 度整体偏低， 在工作面中部瓦斯浓度较高点位于煤壁 以及采空区侧， 这是因为中部风流携带采煤过程以及 煤壁释放的瓦斯， 且中间风速大两边风速小， 造成煤 壁以及采空区处瓦斯浓度较高， 采面回风侧从工作面 以及采空区漏风携带的瓦斯累计达到最大， 煤壁处瓦 斯浓度达到最高 3.4。 综上所述可以看出采煤过程中释放的瓦斯以及 采空区涌入工作面的瓦斯造成了工作面瓦斯超限的 现象， 且回风一侧瓦斯浓度最高达到了 3.4， 瓦斯涌 出量达到了 48.9m3/min， 沿工作面 X 轴方向上， 回风 一侧为工作面瓦斯积聚的主要区域， 工作面 Z轴方向 上， 瓦斯浓度整体表现为上部 下部 中部， 工作面 Y轴正向上， 瓦斯浓度较高点都位于煤壁以及采空区 侧。 2.3上隅角瓦斯涌出分布规律 经过上述观测后可以看出工作面瓦斯涌出规律， 本矿井采用 U 型通风，上隅角因为风向转变过快容 易出现瓦斯积聚现象， 为此为了了解上隅角瓦斯浓度 及分布情况，运用单元法对上隅角区域进行了划分， 共 10 个区域，进行监测后将数据进行整理得到了图 103 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 3 所示的上隅角瓦斯等值线图。 图 3上隅角瓦斯等值线图 由图 3 可知， 上隅角靠近顶板以及采空区侧瓦斯 浓度偏高， 且上隅角瓦斯浓度最高达到 3.4， 而在竖 直方向上瓦斯浓度的增加速率明显高于水平方向。 3瓦斯治理方案 3.1采空区高位钻孔抽采 在经过现场实测及分析后， 得悉上隅角瓦斯聚积 是因为采煤所揭露煤壁瓦斯释放和采空区瓦斯的涌 出， 并且容易向高处逸散。为此选用高位钻孔抽采技 术[4]对 9104 工作面上隅角瓦斯进行治理， 钻孔布置在 9104 工作面风巷， 编组号为 1- 8 组， 除第 4 组布置有 6 个钻孔外， 其余 7 组各 3 个钻孔， 共 27 个， 钻孔方 位角为 18.5 ～36.0 ， 孔深 97～130m 不等， 钻孔终孔位 置距离顶板垂距从第 1 组的 20m 逐渐增大为第 8 组 的 55m， 各组之间每次递增 5m， 开孔位置距风巷底板 1.8m， 详细布置如图 4 所示。 图 4钻孔位置示意图 3.2效果检验 为了验证抽采效果，应用 fluent 软件对 9104 工 作面抽采后进行了建模，采空区模型的各边界条件 为 进风巷为固定进风口、 回风巷为自由出风口， 工作 面风量设置为 2040 m3/min， 抽采负压为 20Kpa， 钻孔 直径为 0.1m， 根据采空区区带划分为自燃堆积区、 载 荷影响区、 压实稳定区[2-3]， 三区碎胀系数分别为1.5、 1.3、 1.1， 孔隙率为 0.333、 0.231、 0.091， 建模后得出了 抽采结果如图 5 所示。 a 抽采前瓦斯浓度立体分布云图 b 抽采后瓦斯浓度立体分布云图 图 5抽采前后瓦斯浓度立体分布模拟图 观察图 5 （a ） （b ） 中瓦斯浓度沿走向分布情况， 可 以看出在抽采后采空区深部瓦斯浓度相对较高， 瓦斯 浓度为 27，但靠近工作面区域里瓦斯浓度有了明 显下降， 瓦斯浓度仅为 0.3～0.7， 而上隅角瓦斯浓 度为 0.1～0.5之间， 有效缓解了工作面及上隅角瓦 斯超限问题。 观察图 5 （a ） （b ） 中瓦斯浓度沿倾向分布情况， 在 采空区深处瓦斯总体分布规律依然为回风侧 工作 面中部 进风侧，但在工作面浅部区域有了明显改 变，工作面回风侧大体上与进风侧处瓦斯浓度一致， 细微处瓦斯浓度依然为回风侧 进风侧， 自燃堆积区 瓦斯浓度有了明显改善， 瓦斯浓度最高位 1.7， 低瓦 斯区域占比相比抽采前有了提高， 抽采效果良好。 观察图 5 （a ） （b ） 中在垂直方向上， 瓦斯规律基本 上没有大的变化， 依然为上部 下部 中部， 但在瓦 斯逸散的过程中， 上部瓦斯浓度增加比率有了明显的 降低，未抽采前工作面上隅角上部最高瓦斯浓度为 3.6， 抽采后最高瓦斯浓度降低为 0.5， 采空区深部 即压实稳定区最高瓦斯浓度将为了 27，降低了 36左右， 从中可以看出抽采后采空区瓦斯浓度有所 下降， 工作面空气情况得到了优化。 3.3现场实测 由 3.2 中模拟得出高位瓦斯抽采可以有效降低 上隅角瓦斯的浓度， 对采空区瓦斯治理起到了较好的 效果， 为此在 9104 工作面进行工业实践后， 现场收集 104 ChaoXing （上接第 101 页 ） 6结语 通过对同忻煤矿一盘区 8112 综放工作面顶板破 碎区域段进行岩体加固、 采煤工艺调整优化、 处理支 架倾斜施工技术的实施， 有效解决了工作面在顶板破 碎、 支架倾斜条件下回推进速度慢、 割煤效率低的难 题， 大大缩短了工作面通过顶板破碎、 支架倾斜区域 段的时间。 参考文献 [1] 王琳琳.应用马丽散加固过顶板破碎带的实践研究[J].能 源与节能,2014 （10） 167- 168. [2] 王杨.构造破碎带复合顶板巷道围岩加固技术[J].煤炭与 化工,2019,42 （07） 32- 34. [3] 李成涛,赖琰.斜井穿越软弱强突煤层施工中的人工假顶 技术[J].建井技术,2010,31 （05） 25- 27. [4] 王强.综采工作面顺槽破碎带注浆加固技术应用[J].煤矿 现代化,2019 （03） 41- 43. [5] 吴振启.综采工作面煤体加固技术[J].煤矿开采,2008,13 （06） 46- 4725. 作者简介 王强 （1979-） ， 男， 山西省大同市左云县人， 2001 年毕业 于山西省煤炭管理干部学院， 计算机专业， 2019 年毕业于重 庆大学， 采矿工程专业。（收稿日期 2019- 11- 4） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 数据得出图 6、 图 7。 图 69104 工作面回风巷瓦斯浓度 图 79104 工作面瓦斯抽采率 观察图 6 以及图 7 中数据可以明显看出 9104 工 作面瓦斯浓度都在 0.6以下，其中风巷末尾以及上 隅角处瓦斯浓度最高值仅为 0.52左右， 相比未抽采 前降低了 85.6，而瓦斯抽采率稳定在 30～60之 间， 抽采效果较好， 有效缓解了工作面以及上隅角的 瓦斯超限情况。 4结论 1 ）通过在工作面布置测站得出现场实测数据， 分析后得出 9104 工作面瓦斯涌出量来源为采煤新揭 露煤壁的解吸和采空区瓦斯的涌出，沿工作面 X 轴 方向上， 回风一侧瓦斯浓度为进风侧瓦斯浓度的 5 倍 左右， 工作面 Z 轴方向上， 瓦斯浓度整体表现为上部 下部 中部， 工作面 Y 轴正向上， 瓦斯浓度较高点 都位于煤壁以及采空区侧。 2 ） 通过单元法得出的等值线图得出了上隅角瓦 斯在空间方位上， 越靠近顺槽顶板和采空区处瓦斯浓 度越高， 且上隅角瓦斯浓度最高达到 3.4， 而在竖直 方向上瓦斯浓度的增加速率明显高于水平方向。 3 ） 经过数值模拟得出高位抽采钻孔技术应用效 果良好，工业实践后得出上隅角瓦斯浓度在 0.10 ～0.5之间， 抽采率达到了 30以上， 瓦斯超限情况 得到了较好的治理。 参考文献 [1] 高保彬,吕蓬勃,郭放.不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声 发 射 特 性 研 究[J].煤 炭 科 学 技 术 ,2018,46（01） 112- 119149. [2] 宋万新， 杨胜强， 徐全.基于氧气体积分数的高瓦斯采空 区自燃 “三带” 的划分 【J】 .采矿与安全工程学报， 2012， 29 （2） 271- 276. [3] 黄素果,魏艳敏.采空区覆岩破坏规律及区带划分数值模 拟研究[J].煤炭技术,2015,340532- 34. [4] 李贤忠,朱传杰,刘洋,孟凡伟,张萌博.高位钻孔瓦斯抽放 技术的研究及应用[J].煤炭工程,2010 （06） 38- 41. 作者简介 李雨星 （1984-） ， 男， 山西省静乐县 人， 2014 年毕业于山 西煤炭管理干部学院矿井通风与安全专业， 助理工程师。 （收稿日期 2019- 11- 11） 105 ChaoXing